引言
自1903年愛因多芬發(fā)明了心電圖儀，百年來隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，人們開發(fā)了大量行之有效的方法來采集和分析心電(ECG)，腦電(EEG)，肌電(EMG)，胃電(EGG)等人體生物電信號(hào)，為醫(yī)生的診斷提供了大量有意義的參考數(shù)據(jù)。
在這些生物電信號(hào)采集分析系統(tǒng)中，信號(hào)的隔離設(shè)計(jì)必不可少，它一方面能夠防止被測(cè)人員觸電[1]。另一方面切斷了系統(tǒng)前后端的電氣連接，降低電磁干擾對(duì)信號(hào)的影響[1][3]。但是目前的生物信號(hào)系統(tǒng)中往往采用成本高，耗電多，體積大的傳統(tǒng)的模擬隔離的方法，造成相關(guān)儀器成本高，無法便攜化和家用化。
本文闡述了一種用Microchip智能傳感器解決方案，將具有信號(hào)處理能力和模擬功能的DSC器件放在隔離前端的模塊內(nèi)，在模塊內(nèi)的隔離系統(tǒng)之前對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理(包括采樣和濾波處理)，變傳統(tǒng)的隔離模擬信號(hào)為隔離數(shù)字信號(hào)的方法。這種方法具有以下優(yōu)勢(shì)：
1、 隔離電路不再傳遞容易失真的模擬信號(hào)，改為傳遞抗噪性能較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)，且縮短了模擬信號(hào)傳遞的路徑，可以大大提高生物電信號(hào)采集系統(tǒng)的信噪比。
2、 由于將具有數(shù)字信號(hào)處理能力的器件放在隔離前端，系統(tǒng)用過采樣和數(shù)字濾波的方法取代模擬低通濾波器和工頻陷波器，降低了電路的復(fù)雜程度、功耗和成本。
3、 在多路采集系統(tǒng)中傳統(tǒng)方法需要和信號(hào)路數(shù)相同的模擬隔離電路，而采用智能傳感器方案則只需一個(gè)數(shù)字隔離通道。成倍的降低了功耗和成本。
4、 采用數(shù)字隔離電路，降低所需電壓和電流，實(shí)現(xiàn)便攜化并降低了成本。
5、 無需主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)干預(yù)信號(hào)的采樣和濾波過程，分擔(dān)了中央處理器的工作負(fù)擔(dān)，降低了軟件開發(fā)的總體難度。
6、 數(shù)字隔離方法省去了過去系統(tǒng)人工挑選配對(duì)光耦和調(diào)整工作點(diǎn)的過程，節(jié)約了大量的人力，適于批量生產(chǎn)。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
傳統(tǒng)生物電信號(hào)采集系統(tǒng)一般具有如圖1所示的結(jié)構(gòu)。
圖1 傳統(tǒng)生物電信號(hào)采集系統(tǒng)框圖
其中的模擬隔離放大器通常采用圖2所示電路，由普通數(shù)字光耦構(gòu)成。
圖2利用兩只光耦的一致性構(gòu)成的模擬隔離放大器
光耦VT1和VT2是經(jīng)過人工挑選，電流傳輸比一致性較好的普通光耦。這樣生產(chǎn)者不但需用人工從一批光耦中尋找電流傳輸比接近的兩只配對(duì)使用。另外，由于很難找到兩只電流傳輸比在整個(gè)工作范圍都相等的普通光耦，不一樣的電流傳輸比，將帶來信號(hào)協(xié)波失真。該方法還需要高達(dá)正負(fù)10V以上的電源電壓為模擬電路供電，極不利于產(chǎn)品向低電壓，低功耗和電池供電的便攜化方向發(fā)展。
如果采用各大公司生產(chǎn)的集成模擬隔離放大器(如AD20，ISO124[1] [4])能夠有效降低信號(hào)的協(xié)波失真。但由于這類器件往往采用高頻調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)隔離，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本很高，且需要較高的正負(fù)雙電源電壓供電，增大了系統(tǒng)的總功耗;另外為了防止高頻調(diào)制信號(hào)造成結(jié)果的混疊現(xiàn)象，必須在這類隔離放大器之后增加模擬有源低通濾波器濾波。
綜上，開發(fā)一種能夠同時(shí)解決失真度和功耗問題的隔離方法是下一代的便攜式生物電信號(hào)儀器的必然要求。
基于數(shù)字隔離的生物電信號(hào)采集模塊
總體設(shè)計(jì)思路
本文提出圖3所示的，采用隔離數(shù)字信號(hào)的方法代替隔離模擬信號(hào)的方法。將具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能和數(shù)字信號(hào)處理能力的DSC放到隔離前端，直接對(duì)模擬信號(hào)采樣和進(jìn)行數(shù)字濾波，再傳遞經(jīng)過處理的數(shù)字信號(hào)的方法。
圖3 基于DSC和數(shù)字隔離的新型生物電信號(hào)采集系統(tǒng)
圖3所示的系統(tǒng)在降低隔離電路失真度的前提下大幅度的降低了總功耗和生產(chǎn)成本，原因在于：省去了復(fù)雜的模擬隔離電路，可以使用3V的單電源供電;整個(gè)數(shù)字隔離電路不存在電路工作點(diǎn)的調(diào)整和穩(wěn)定問題，降低了靜態(tài)工作電流，提高了溫度穩(wěn)定性;利用DSC的高運(yùn)算速度和采樣率，實(shí)現(xiàn)過采樣和數(shù)字濾波，取代模擬低通濾波器和工頻陷波器，進(jìn)一步降低電路的復(fù)雜程度和功耗;所有器件可以直接使用，省去了挑選配對(duì)光耦和工作點(diǎn)的調(diào)整過程，節(jié)約了大量的人力，適于批量生產(chǎn)。
另外，在實(shí)際電路中，往往需要多路同時(shí)采集(一般心電信號(hào)需要3-12路，肌電信號(hào)需要4路信號(hào)同時(shí)采集)。如果使用傳統(tǒng)的隔離模擬信號(hào)的方法，隔離通道數(shù)必須和信號(hào)路數(shù)相同;而本文提出的數(shù)字隔離方法，只需將數(shù)字通訊的帶寬平均分頻給每個(gè)通道，這樣只要一套DSC和數(shù)字隔離電路就可以同時(shí)完成多個(gè)通道的數(shù)據(jù)隔離和傳輸任務(wù)。
